診斷X射線曝光時間非介入式測量研究

楊建　李鵬

摘要：曝光時間是診斷X射線的重要參數(shù)之一，根據(jù)半導(dǎo)體探測器體積小、靈敏度高及響應(yīng)快等特點，研制一種用于非介入式測量曝光時間等參數(shù)的測量儀，建立診斷x射線曝光時間測量模型，并給出曝光時間非介入式測量的電路構(gòu)成和軟件流程。實驗表明：研制的診斷x射線多參數(shù)測量儀適用于曝光時間的非介入式測量和校準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：診斷x射線；曝光時間；非介入；半導(dǎo)體探測器

文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2015）01-0021-03

0引言

曝光時間，也稱照射時間，指按規(guī)定方法測出的x射線機的照射持續(xù)時間，通常是輻射劑量率超過某一規(guī)定水平的時間。曝光時間是X射線機的基本參數(shù)之一。曝光時間的準(zhǔn)確度，不只關(guān)系到攝影效果的好壞與x射線管的使用壽命，還關(guān)系到診斷病人的輻射安全問題，大毫安、短時間攝影時更是如此。不同類別的X射線機，其曝光控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異極大，無論是新裝X射線機，還是經(jīng)過維修的x射線機，都應(yīng)根據(jù)其類別和性能，對曝光時間進行必要的檢測和調(diào)整。常用的介入測量方法有電子秒表計法、毫安秒表法等，將限時器接點串入測量回路，即可直接或間接讀出曝光時間；但是，將測量儀表接入被測量x射線機的介入式操作系統(tǒng)比較復(fù)雜。當(dāng)今是數(shù)字化的時代，X射線機行業(yè)發(fā)展的趨勢是控制數(shù)字化以及圖像數(shù)字化，這將推動X射線機進入一個無膠片時代。面對X射線機快速發(fā)展的機型，介入式測量方法無法快捷準(zhǔn)確地測量其曝光時間。相對介入式測量法、非介入式測量法則是通過對X射線機發(fā)射的X射線輻射進行分析，從而得出測量結(jié)果的一種方法，其優(yōu)點無需接入被測X射線機，也不受X射線機類型的限制，測量方便快捷，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

1X射線機曝光劑量率波形分析

在醫(yī)療器械的發(fā)展歷程中，醫(yī)用診斷x射線機可以視為一個發(fā)展階段的里程碑，特別是數(shù)字化醫(yī)用診斷X射線機的誕生，更為探索人體奧秘做出巨大貢獻。醫(yī)用診斷X射線機按照高壓波形可以分成工頻光機和高頻光機兩大類，而高頻射線機輸出的射線質(zhì)量穩(wěn)定，紋波系數(shù)低，得到的圖像穩(wěn)定，散射線很少，是現(xiàn)代醫(yī)用診斷X射線機的首選。

圖1為一般高頻光機的輸出劑量率波形圖?？梢钥闯?，當(dāng)高壓加載到X射線管上時，由于X射線管存在寄生電容和串聯(lián)電阻，以及高壓電路有一定的上升時間，X射線管輸出的X射線有一陡峭的坡度，并形成了特定的過沖，從開始閾值至峰值的時間并不是固定不變的，它隨著光機的性能、管電壓、管電流的不同而變化的，在過沖區(qū)后X射線管輸出穩(wěn)定的X射線，直至停止X射線機的曝光，劑量率開始下降。從劑量率超過開始閾值時計時，直至劑量率降至峰值的75%停止計時，這段時間即高頻X射線機的曝光時間。

2曝光時間的非介入測量原理

曝光時間的非介入測量原理如圖2所示，當(dāng)x射線機開始曝光，高壓加載至x射線管，x射線管產(chǎn)生一定強度的x射線，x射線照射到x射線探測器上，探測器將射線信號轉(zhuǎn)化為電流信號，前置放大器將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號分別送至模數(shù)轉(zhuǎn)換和閾值判斷電路，數(shù)據(jù)處理電路對模數(shù)轉(zhuǎn)換和閾值判斷電路的輸出信號進行處理，計算出診斷x射線的曝光時間。

廣泛應(yīng)用于輻射測量的探測器一般有氣體電離探測器、閃爍探測器及半導(dǎo)體探測器3大類。其中，半導(dǎo)體探測器由于具有較快的探測響應(yīng)、較高的靈敏度、不受磁場的影響、不需要高壓偏置以及較小的體積等優(yōu)點，可以選擇將半導(dǎo)體探測器直接和電流靈敏前置放大器配合，應(yīng)用于x射線非介入測量。半導(dǎo)體探測器在x射線輻射下所產(chǎn)生的電流約為10^-9～10^-6A，但是這樣微弱的電流信號很難采用電流放大器，通常需要把電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，這樣就容易實現(xiàn)電流信號的動態(tài)檢測或微弱信號的放大。電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號主要有跨阻法和電容積分法兩種方法。x射線曝光時間一般為10ms～10s，測量的實時性要求比較高；所以，前置放大器采用跨阻法，將探測器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為代表著x射線劑量率的電壓信號，并將其輸出至閾值判斷和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。閾值判斷電路用于判斷x射線強度是否達到開始測量的閾值，如果超過閾值，輸出射線開始信號至數(shù)據(jù)處理電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路用于將x射線強度的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并提供給數(shù)據(jù)處理電路進行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)處理電路通過閾值判斷和模數(shù)轉(zhuǎn)換電離輸出信號進行測量流程的控制，最終將測量結(jié)果輸出。

3曝光時間的非介入測量流程

如圖3所示，當(dāng)曝光開始時，x射線管輸出x射線；當(dāng)劑量率大于開始閾值時，閾值電路將信號輸出給數(shù)據(jù)處理電路，開始計時；數(shù)據(jù)處理電路對輸出的劑量率信號進行循環(huán)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并判斷峰值及射線停止時間；當(dāng)劑量率的采樣值低于峰值的75%，即認為x射線機停止了曝光，停止計時，進行數(shù)據(jù)處理，輸出曝光時間。

4實際應(yīng)用

診斷x射線曝光時間非介入測量方法成功應(yīng)用于研制的診斷x射線多參數(shù)測量儀中。診斷x射線多參數(shù)測量儀采用多通道半導(dǎo)體探測器，一次曝光，多個通道輻射信號數(shù)據(jù)采集，通過建立的數(shù)學(xué)計算模型即可計算出曝光時間、管電壓、劑量、劑量率及半值層等多個參數(shù)。通過與x射線曝光時間標(biāo)準(zhǔn)裝置比對，實測值與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)吻合，符合曝光時間校準(zhǔn)規(guī)范JJF 1423——2013《醫(yī)用診斷x射線非介入曝光時間表校準(zhǔn)規(guī)范》的要求。

x射線曝光時間標(biāo)準(zhǔn)裝置由高壓分壓器及時間間隔測量系統(tǒng)構(gòu)成，時間間隔測量系統(tǒng)由高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集單元和時間分析軟件構(gòu)成，采樣率>1 MHz，時間間隔測量范圍為1ms～10s，時間間隔測量最大誤差<±0.05ms。首先，高壓分壓器串聯(lián)在高壓分壓器和x射線管之間，將高壓分壓器輸出電壓信號接至?xí)r間間隔測量系統(tǒng)，一次曝光結(jié)束，從時間間隔測量系統(tǒng)觀測到曝光過程中的電壓波形，并可以讀出標(biāo)準(zhǔn)曝光時間。被測儀器放置于x射線輻射場中，探測器的有效截面應(yīng)置于主射線束中，與射線束垂直，開機預(yù)熱10min，選用常用的管電壓及電流，測試4個以上設(shè)定曝光時間，每個設(shè)定曝光時間測量3次。比對數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

通過與曝光時間標(biāo)準(zhǔn)裝置的比對數(shù)據(jù)分析，可以得出該儀器的曝光時間最大誤差為0.307ms，最大相對誤差為0.6%。

5結(jié)束語

曝光時間測量是診斷x射線檢測的重要參數(shù)之一。在分析x射線機輸出劑量率波形的基礎(chǔ)上，本文采用非介入式測量方式研制了診斷x射線多參量測量儀。該曝光時間非介入式測量方法具有測量便捷，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠等優(yōu)點，可以在一般的診斷x射線機檢測中替代介入式曝光時間測量。